Al2O3掺杂对高磁导率MnZn铁氧体材料的影响

李 昂, 毕建国

(1. 吉林大学 珠海学院公共基础中心, 广东 珠海 519041; 2. 麦格磁电科技(珠海)有限公司 技术部, 广东 珠海 519040)

高磁导率锰锌(MnZn)铁氧体的起始磁导率高、 损耗小, 在抗电磁干扰噪声滤波器(EMI)和汽车电子等领域应用广泛. 在抗EMI应用中, 主要用于电源滤波器和扼流圈, 以抑制信号在传输中的干扰信号或噪声信号, 因此材料应具有较高的磁导率和良好的频率特性[1]. 将高磁导率MnZn铁氧体的毛坯置于承烧板上, 在氮窑或钟罩炉中烧结, 温度为1 350 ℃, 烧结3～10 h. 由于在MnZn铁氧体中的ZnO摩尔分数较高, 约为15%～25%, 因此烧结后ZnO易于挥发; 其中绝大部分的承烧板中含有Al2O3, 由于Al2O3易与ZnO反应生成AlZn2O4, 因此加剧了MnZn铁氧体中ZnO的挥发[2-4]. 本文探讨Al2O3掺杂对高磁导率MnZn铁氧体材料性能的影响, 通过抑制ZnO的挥发, 提高了材料性能.

1 实 验

图1 高磁导率MnZn铁氧体工艺流程Fig.1 High permeability MnZn ferrite flow chart

1.1 样品制备 采用市售的氧化物原料Fe2O3(质量分数≥99.5%), Mn3O4(质量分数≥98.5%)和ZnO(质量分数≥99.5%), 按x(Fe2O3)=52.5%,x(MnO)=25%,x(ZnO)=22.5%配制. 采用陶瓷工艺制备高磁导率MnZn铁氧体, 制备工艺流程如图1所示.

按配方称取配料, 在行星球磨机中搅拌, 混合2 h后取出, 在烘箱中90 ℃烘干. 将粉料在箱式炉中预烧, 预烧温度为850 ℃, 烧结3 h. 先将预烧后的粉料分成5份, 分别加入添加剂w(SiO2)=0.002%,w(CaCO3)=0.01%,w(V2O5)=0.04%,w(MoO3)=0.03%和不同质量分数的Al2O3(1#不添加; 2#添加0.005%; 3#添加0.01%; 4#添加0.02%; 5#添加0.03%). 再将样品在行星球磨机中球磨1.5 h, 料浆粒度D50为1.40 μm. 最后将球磨后的料浆烘干, 过筛, 加入质量分数为9%的PVA胶水造粒. 采用液压机, 在5 MPa下将样品压制成25 mm×15 mm×6 mm标准样环. 在烧结曲线钟罩炉中烧结, 烧结曲线如图2所示.

图2 烧结温度与气氛曲线Fig.2 Sintering temperature and atmosphere curves

1.2 参数测量 采用Angilent 4284A LCR电桥(杭州森测电子有限公司)测试材料的起始磁导率μi. 将样品置于温控箱中, 测量不同温度下的磁导率. 采用XRF JSX-3400型X射线荧光光谱仪(日本电子株式会社)分析样品成分.

2 结果与讨论

2.1 Al2O3掺杂对起始磁导率的影响 在25 ℃材料的起始磁导率μi随Al2O3质量分数的变化关系如图3所示. 由图3可见, 随着Al2O3质量分数的增加, 材料的起始磁导率μi先上升后下降. 当Al2O3的质量分数约为0.01%时, 材料的μi最大. 采用X射线能量色散光谱仪研究Al2O3对初始磁导率的作用机理, 不同样品的内部及表面成分列于表1.

表1 不同样品的内部及表面成分

由表1可见, 随着Al2O3的添加, 样品的内外成分差逐渐减少. 这是由于在烧结过程中, 样品的内外温度差导致ZnO挥发较大, 添加Al2O3可抑制ZnO挥发, 使样品内外成分的梯度和应力减少, 从而材料的磁导率增加.

2.2 Al2O3掺杂对起始磁导率温度特性的影响 不同Al2O3掺杂量样品的起始磁导率μi随温度的变化关系如图4所示. 由图4可见, Al2O3添加量越多, 起始磁导率越平滑, 其中添加质量分数为0.01%的Al2O3可提升材料的整体磁导率. 磁导率的比温度系数列于表2.

表2 不同样品的比温度系数αμr(10-6)

由表2可见, 添加Al2O3可降低比温度系数αμr. 其机理为: 在高磁导率MnZn铁氧体中, Fe3+占据B位, 且Fe3+的K1值为负. 掺杂Al2O3后, Al3+更易占据尖晶石结构MnZn铁氧体的B位, 且Al3+为非磁性离子. 取代后晶体的K1值变得更平滑, 从而改善了起始磁导率的温度特性, 如图5所示. Al3+在晶粒内部存在浓度梯度, 晶粒外部浓度大, 内部浓度小, 在一定的温度范围内, 晶粒各个区域的μi-T曲线的2个极大值位置各不相同, 迭加后导致μi-T趋于平坦[5]. 但随着Al2O3添加量的继续增加, 磁导率将大幅下降, 因此不宜过量添加Al2O3.

2.3 Al2O3掺杂对起始磁导率频谱特性的影响 样品磁导率与频率的关系如图6所示. 由图6可见, 磁导率的频带随Al2O3掺杂量的增加而变宽. 其中添加质量分数为0.01%的Al2O3为最佳添加量.

图3 MnZn铁氧体起始磁导率与 Al2O3质量分数的关系Fig.3 Relationship of initial permeability of MnZn ferrite vs Al2O3 mass fraction

图4 不同Al2O3质量分数样品的起始 磁导率μi随温度的变化关系Fig.4 Relationship of initial permeabilities of samples with different Al2O3 mass fractions as a function of temperature

图5 MnZn铁氧体各向异性K1值 与起始磁导率的关系Fig.5 Relationship between K1 of MnZn and initial permeability

图6 样品磁导率与频率的关系
Fig.6 Relationship between the permeability and frequency

综上, 本文在样品中掺杂适量Al2O3, 通过抑制ZnO挥发, 提升了MnZn铁氧体的起始磁导率, 并改善了磁导率的温度特性, 拓宽了磁导率的频率范围, 其中添加质量分数为0.01%的Al2O3为最佳添加量; 过量添加会降低材料的磁导率.

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